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探訪天津港集團(tuán)等自主研制的人工智能運(yùn)輸機(jī)器人ART

載箱穿梭 暢行碼頭(深度觀察·重大技術(shù)裝備這樣攻關(guān)⑤)

本報(bào)記者 邱超奕
2023年07月06日09:42 | 來源:人民網(wǎng)-人民日?qǐng)?bào)
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原標(biāo)題:載箱穿梭 暢行碼頭(深度觀察·重大技術(shù)裝備這樣攻關(guān)⑤)

  2019年1月,習(xí)近平總書記在天津港考察時(shí)強(qiáng)調(diào):“要志在萬(wàn)里,努力打造世界一流的智慧港口、綠色港口,更好服務(wù)京津冀協(xié)同發(fā)展和共建‘一帶一路’。”

  2021年,全球首個(gè)“智慧零碳”碼頭在天津港建成投產(chǎn),碼頭建造周期縮短2年、建造成本降低30%、作業(yè)效率提高20%。和其他自動(dòng)化碼頭通常采用“磁釘+自動(dòng)導(dǎo)向搬運(yùn)車(AGV)”的物流方案不同,這里創(chuàng)新使用了我國(guó)企業(yè)自主研制的人工智能運(yùn)輸機(jī)器人(ART),實(shí)現(xiàn)了智能化程度更高的商用無人駕駛,成為以全新模式引領(lǐng)世界港口自動(dòng)化、智能化升級(jí)的“中國(guó)范例”。

  看著一輛輛ART滿載集裝箱穿行碼頭,天津港集團(tuán)黨委書記、董事長(zhǎng)褚斌感慨:“從AGV到ART,我們實(shí)現(xiàn)許多從‘0’到‘1’的突破,為現(xiàn)代化港口建設(shè)作出了積極貢獻(xiàn)?!?/p>

  ART先進(jìn)在哪兒?研制難在哪兒?天津港是如何成功的?記者進(jìn)行了采訪。

  降本增效

  碼頭運(yùn)輸工具之變,給港口整體運(yùn)轉(zhuǎn)帶來多方面變化

  渤海之濱,海天一色。走進(jìn)天津港北疆港區(qū)“智慧零碳”碼頭,只見一艘艘靠泊巨輪旁邊,10多輛15.6米長(zhǎng)、1.55米高的藍(lán)色“智能拖車”往來穿梭。這就是天津港集團(tuán)聯(lián)合其他企業(yè)共同研發(fā)的ART?!半m然它樣貌簡(jiǎn)單,卻十分聰明,可實(shí)現(xiàn)全球港口中最高級(jí)別(L4)的無人駕駛?!碧旖蚋奂瘓F(tuán)副總裁楊杰敏說。

  走到高處,楊杰敏向記者詳細(xì)介紹了ART的作業(yè)流程:船舶靠岸后,一輛輛ART便按照系統(tǒng)指令,駛?cè)胱詣?dòng)化岸橋邊上的指定位置,與預(yù)定位置的誤差小于3厘米。隨后,岸橋上的吊具將集裝箱從船上起吊至40多米高,再快速精準(zhǔn)地落在ART的車架上。裝好集裝箱,ART隨即駛離,自動(dòng)“搜尋”解鎖站,再繞進(jìn)迷宮般的堆場(chǎng),把集裝箱“交”給軌道橋,隨后再回到岸邊排隊(duì)等候新任務(wù)。

  碼頭運(yùn)輸工具之變,給港口的整體運(yùn)轉(zhuǎn)帶來多方面變化。

  提升效率。前不久,“現(xiàn)代哥本哈根”號(hào)集裝箱船靠泊天津港“智慧零碳”碼頭。7000多個(gè)集裝箱,僅用37小時(shí)就完成作業(yè),創(chuàng)下1小時(shí)裝卸203箱的作業(yè)效率紀(jì)錄,在該船經(jīng)停的10座海內(nèi)外港口中排名第一。

  節(jié)省用工。在傳統(tǒng)人工碼頭,為滿足24小時(shí)作業(yè)條件,一臺(tái)拖車需配備4名司機(jī)。而在天津港“智慧零碳”碼頭,ART的投用令用工節(jié)省六成以上,作業(yè)安全水平也大幅提升。

  降低成本。自1993年世界上第一個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭建成以來,“磁釘+AGV”成為多數(shù)自動(dòng)化碼頭的“標(biāo)配”。不過,港口用的AGV一直價(jià)格高昂,而ART由國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研制,單車成本可比AGV便宜一半左右。此外,AGV必須依靠埋在地下的磁釘來辨明方位,建設(shè)一座250萬(wàn)標(biāo)箱吞吐量的自動(dòng)化碼頭,僅布設(shè)磁釘就要上千萬(wàn)元,后期維修成本也不低。而ART采用“5G+北斗導(dǎo)航”,不用布設(shè)磁釘,建設(shè)成本大為降低。

  與ART密切相關(guān)的還有橋吊系統(tǒng)。天津港第二集裝箱碼頭公司副總經(jīng)理高延輝算了一筆賬:傳統(tǒng)自動(dòng)化碼頭,橋吊采用雙小車配合AGV完成解鎖、二次吊裝,構(gòu)造更復(fù)雜,每臺(tái)重達(dá)2300多噸。使用ART方案,解鎖在其他區(qū)域完成,橋吊一次吊裝,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,重量可減至1400噸以下?!懊颗_(tái)橋吊減重近1000噸,意味著整個(gè)碼頭的承重設(shè)計(jì)、建造投入、橋吊價(jià)格都可以降低,據(jù)測(cè)算,僅橋吊一項(xiàng)就能降本約8億元?!备哐虞x說。

  從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,ART給集裝箱碼頭自動(dòng)化改造提供了新的選擇。當(dāng)前,全球95%的集裝箱碼頭仍是傳統(tǒng)人工碼頭,改造升級(jí)空間很大?!霸趥鹘y(tǒng)人工碼頭,堆場(chǎng)幾乎都是水平岸線布局。過去受技術(shù)限制,自動(dòng)化改造時(shí)必須把堆場(chǎng)設(shè)置成垂直岸線布局,相當(dāng)于‘推倒重建’,難度大、成本高?!备哐虞x說,使用ART配套方案進(jìn)行改造,無需改變岸線布局,改造更方便,成本更可控。

  自主創(chuàng)新

  從車輛結(jié)構(gòu)、指揮系統(tǒng)到鋼板厚度、螺栓樣式,研發(fā)團(tuán)隊(duì)一次次試錯(cuò)、一步步摸索

  天津港研制出ART之前,業(yè)界對(duì)這款新型港口運(yùn)輸裝備“聞所未聞”。

  “想法太超前,咋落地?”“前期投入巨大,會(huì)不會(huì)‘打水漂’?”……一些同行聽說后,為天津港捏了一把汗。

  “打造世界一流港口,根本要靠自主創(chuàng)新?!瘪冶蟾嬖V記者,一次次嚴(yán)謹(jǐn)論證和研判后,天津港自主研制的信念越發(fā)堅(jiān)定,“多年來,‘磁釘+AGV’方案的運(yùn)行效率已經(jīng)幾乎提升到了極限。要想再有所突破,必須另辟蹊徑?!?/p>

  在天津港集團(tuán)所屬企業(yè)金岸重工公司的測(cè)試場(chǎng)地,記者見到了最新款的第四代ART。遠(yuǎn)看,它只是一個(gè)巨大的卡車底盤。近看,車身上有許多“門道”——車輛四角有圓柱凸起,這是用于避障的激光雷達(dá)和攝像頭;車架經(jīng)過減重和強(qiáng)化,極限載重量提升至80噸;載貨平面彰顯人性化設(shè)計(jì),位置與工人解鎖作業(yè)的高度一致;車輛側(cè)面還配有自動(dòng)充電口,充電1小時(shí)即可滿電運(yùn)行……

  “相比傳統(tǒng)拖車,ART重量更輕,壽命更長(zhǎng),承載量更大,智能化水平更高?!苯鸢吨毓す究偨?jīng)理曲明告訴記者,這樣一款造型獨(dú)特、功能實(shí)用的運(yùn)輸機(jī)器人,完全是從零做起的。

  從車輛結(jié)構(gòu)、指揮系統(tǒng)到鋼板厚度、螺栓樣式,研發(fā)團(tuán)隊(duì)一次次試錯(cuò)、一步步摸索。

  光是調(diào)試車身控制系統(tǒng),就耗時(shí)半年多。

  碼頭很大,但也有不少地方空間狹小,必須最大化使用場(chǎng)地。比如,當(dāng)要穿過左前方和右后方都有障礙物的縫隙時(shí),只有前輪這一對(duì)轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)彎半徑大的傳統(tǒng)拖車很可能被“卡”住,而ART則能精細(xì)調(diào)整4個(gè)車軸不同的轉(zhuǎn)向角度,以“螃蟹行”等復(fù)雜動(dòng)作斜行穿過。

  為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),金岸重工研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷調(diào)試控制算法。第一臺(tái)樣車,只能做到多軸同步轉(zhuǎn)向和控速,難以精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)。后來,研發(fā)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了“雙軸控”技術(shù),又因?yàn)榍昂筝喚€速度不同而出現(xiàn)“磨胎”。為找出最優(yōu)算法,他們每天奔走在測(cè)試場(chǎng)地。有個(gè)階段為了修正ART轉(zhuǎn)彎甩尾等異常,測(cè)試員得跟車慢跑記錄細(xì)節(jié),平均每天跑25公里,相當(dāng)于半個(gè)馬拉松。磨壞20多條輪胎、迭代30版算法后,車輛終于實(shí)現(xiàn)順暢精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。

  看似普通的車架,也經(jīng)歷過繁復(fù)的打磨。

  車架是ART整車最受考驗(yàn)的部件:既要能日復(fù)一日地承受集裝箱下落帶來的沖擊力,又要能經(jīng)受海水、海風(fēng)的腐蝕,還要滿足綠色節(jié)能、輕便靈活等高要求。

  “在不熟悉工況的情況下,我們一遍遍用砝碼箱去探索載荷臨界點(diǎn)。有時(shí),材料強(qiáng)度夠了,剛度卻不夠;有時(shí),凈強(qiáng)度達(dá)標(biāo)了,疲勞強(qiáng)度又不足?!苯鸢吨毓す旧a(chǎn)管理部經(jīng)理陳雷說。為求得“最優(yōu)解”,他們運(yùn)用大量仿真計(jì)算工具,制作出包含車架材料、結(jié)構(gòu)、油路、電路等真實(shí)信息的數(shù)字模型,一塊塊微調(diào)構(gòu)造,歷時(shí)一年,終于找到平衡點(diǎn)。

  研制無人駕駛系統(tǒng),也走過不少?gòu)澛贰?/p>

  “經(jīng)過一年多反復(fù)優(yōu)化,本以為ART的無人駕駛系統(tǒng)比較成熟了,結(jié)果,去年夏天的幾場(chǎng)大雨,又給我們澆了一頭‘冷水’。”天津港第二集裝箱碼頭公司技術(shù)部設(shè)備運(yùn)行主管彭云輝說,當(dāng)時(shí)他們發(fā)現(xiàn),大雨過后,ART經(jīng)常停滯不動(dòng)或偏離路線。

  經(jīng)過故障分析,原來是激光雷達(dá)外部留下積水,導(dǎo)致激光折射,嚴(yán)重干擾了車輛定位。后來,他們加班加點(diǎn),專等惡劣天氣去碼頭跑車。3個(gè)多月后,一套“雨天作業(yè)模式”成功研發(fā),有效降低了天氣影響。

  合力攻堅(jiān)

  天津港集團(tuán)“總牽頭”,組建創(chuàng)新聯(lián)合體

  建造ART,硬件要夠“硬”,大腦也要夠聰慧。

  港口就像一座微縮版城市,空間復(fù)雜、設(shè)施繁多,對(duì)效率和安全的要求極高。每跑一趟任務(wù),ART都要與周邊設(shè)備進(jìn)行上百次指令交互?!凹纫邮艽a頭管控系統(tǒng)指揮,還要與岸橋、軌道橋、鎖站、充電樁‘對(duì)話’,多臺(tái)車輛之間也得分工合作、避免擁堵,這就需要一套高效可靠的車隊(duì)管理系統(tǒng)?!备哐虞x說。

  系統(tǒng)工程誰(shuí)來建?起初,天津港研發(fā)團(tuán)隊(duì)心里沒底,嘗試尋求外包服務(wù)。不過,由于這套系統(tǒng)沒有“模板”,得從“白紙”開始原創(chuàng),多家有實(shí)力的企業(yè)洽談之后都犯了難。

  “他們中,有的信息化功底扎實(shí),有的人工智能積淀深厚,還有的通信技術(shù)實(shí)力強(qiáng)大。強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短,是有能力拼出‘智慧大腦’這張復(fù)雜拼圖的?!备哐虞x分析,“關(guān)鍵卡點(diǎn)在于各家都不了解港口的業(yè)務(wù)需求,邁不出第一步?!?/p>

  “別人不了解,咱還不了解嗎?”于是,2019年7月,天津港集團(tuán)當(dāng)起“總牽頭”,組建創(chuàng)新聯(lián)合體合力攻堅(jiān)。

  “一些科技企業(yè)在智能算法上實(shí)力雄厚,但光有技術(shù)還不能讓車隊(duì)管理系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。”天津港第二集裝箱碼頭公司信息部經(jīng)理劉喜旺告訴記者,起初,ART在堆場(chǎng)提取集裝箱的設(shè)計(jì)方案是調(diào)度車輛先到達(dá)目的地,再由軌道橋?qū)⒓b箱運(yùn)上車。后來,港口技術(shù)部門從碼頭運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)出發(fā),提出了“預(yù)到達(dá)”的設(shè)想,即軌道橋在車輛抵達(dá)作業(yè)位置前就預(yù)備到位,由此使得堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)間壓縮近一倍。

  劉喜旺認(rèn)為,港口與科技企業(yè)緊密合作,實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的創(chuàng)新效果。天津港獲得了自主可控的車隊(duì)管理系統(tǒng),科技企業(yè)則在合作中拓展港口信息化業(yè)務(wù),打開了全新的市場(chǎng)空間。

  創(chuàng)新聯(lián)合體還廣泛吸收研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)智慧,在基礎(chǔ)研究、前沿探索上攻關(guān)突破。

  “通信及定位功能是保障車隊(duì)管理系統(tǒng)運(yùn)行的‘底座’,然而集裝箱碼頭的金屬遮擋屏蔽現(xiàn)象是個(gè)‘老大難’?!敝袊?guó)移動(dòng)天津公司政企客戶部副總經(jīng)理陳奇志介紹,公司聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)上海產(chǎn)業(yè)研究院組建“5G+北斗實(shí)驗(yàn)室”,為天津港碼頭量身設(shè)計(jì)雙頻段5G專網(wǎng)、研發(fā)遠(yuǎn)程駕駛車載設(shè)備,首次在港口應(yīng)用了“5G+北斗”的融合定位方法,使ART的響應(yīng)時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí),定位精度達(dá)到厘米級(jí)。

  “公司首席科學(xué)家、中國(guó)工程院院士李德毅在天津港設(shè)立了院士工作站,深耕港口無人駕駛技術(shù)?!敝骶€科技公司合伙人、前瞻院院長(zhǎng)王超說,天津港為L(zhǎng)4級(jí)的商用無人駕駛提供了寶貴的“試驗(yàn)田”,幫助院士工作站積累了大量實(shí)地場(chǎng)景和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),“既能支持和促進(jìn)認(rèn)知模型、核心算法等多項(xiàng)前沿研究,也轉(zhuǎn)化出車輛復(fù)雜環(huán)境感知、信息共享、智能決策等一批可在更多行業(yè)推廣的科技成果?!?/p>

  “賽馬”機(jī)制是天津港創(chuàng)新聯(lián)合體提升創(chuàng)新實(shí)效的又一做法。為開發(fā)L4級(jí)別的商用無人駕駛系統(tǒng),天津港集團(tuán)提出“千循環(huán)一次故障”的目標(biāo),引入4家企業(yè)同臺(tái)競(jìng)技。天津港擔(dān)當(dāng)“裁判”,每月考核系統(tǒng)穩(wěn)定性、故障率等指標(biāo),經(jīng)過激烈角逐,“賽馬”企業(yè)逐漸拉開差距,兩家企業(yè)先后退出,余下兩家繼續(xù)比拼?!案髌髽I(yè)‘你追我趕’,加快了技術(shù)升級(jí)的步伐,無人駕駛系統(tǒng)正從百循環(huán)一次故障,提高到800循環(huán)一次故障,達(dá)標(biāo)在望?!备哐虞x說。

  “ART帶來的不只是港口運(yùn)輸新裝備,還造就了一批敢想敢拼的港口人才,探索出一種富有活力的創(chuàng)新機(jī)制,并梳理出一套自主掌握的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?!闭雇磥?,褚斌表示,目前中國(guó)港口已在吞吐量、作業(yè)效率、智能化水平等方面實(shí)現(xiàn)了全球領(lǐng)先,今后還將聯(lián)合相關(guān)企業(yè),努力在港口裝備、智慧系統(tǒng)等方面掌握更多原創(chuàng)技術(shù),進(jìn)一步穩(wěn)固和增強(qiáng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

  勇于邁出第一步(記者手記)

  “全球首個(gè)”,是在天津港采訪人工智能運(yùn)輸機(jī)器人(ART)時(shí)聽到最多的一個(gè)詞。

  全球首個(gè)“智慧零碳”碼頭,全球首個(gè)ART車隊(duì)搭載著全球首個(gè)港口數(shù)字孿生技術(shù)底座,連接全球首個(gè)2.6吉赫茲和700兆赫茲融合5G專網(wǎng)……天津港,何以拿下如此多“首個(gè)”?一位研發(fā)人員的感慨引人深思:“創(chuàng)新都是不易的,哪兒能沒顧慮、零風(fēng)險(xiǎn)?我們不過是認(rèn)準(zhǔn)方向、咬緊牙關(guān),勇敢邁出了第一步。”

  邁出第一步,當(dāng)有堅(jiān)定的信心。ART成功研發(fā)的背后,離不開產(chǎn)學(xué)研深度合作、多領(lǐng)域協(xié)同配合。面對(duì)各種技術(shù)難題,天津港聯(lián)合配套企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)集眾智、聚眾力,為創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)支撐。經(jīng)過多年發(fā)展進(jìn)步,我國(guó)已進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家行列,擁有完整的產(chǎn)業(yè)體系、龐大的研發(fā)隊(duì)伍和一大批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新型領(lǐng)軍企業(yè)。發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì),激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新主體作用,用好各方面有利條件,我們完全有能力在高水平科技自立自強(qiáng)上實(shí)現(xiàn)更大作為。對(duì)此,要充滿信心。

  邁出第一步,呼喚勇攀高峰的雄心壯志。這些年,我國(guó)科技實(shí)力、產(chǎn)業(yè)水平不斷躍上新臺(tái)階,在越來越多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑并跑到并跑領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。百尺竿頭,更進(jìn)一步。當(dāng)前,我國(guó)部分領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展已經(jīng)走在國(guó)際前沿,部分科技工作已經(jīng)走進(jìn)“無人區(qū)”探索發(fā)展的階段。這就要求廣大企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)以更廣闊的視野、更自覺的擔(dān)當(dāng),從模仿式的追隨轉(zhuǎn)向開拓性的引領(lǐng),努力實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破。

  路雖遠(yuǎn),行則將至;事雖難,做則必成。不畏艱難、敢于創(chuàng)新,我們將在更多新領(lǐng)域新賽道贏得更大主動(dòng)。

《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2023年07月05日 第 18 版)

(責(zé)編:李丹、張靜淇)

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